邊界摩擦

當坯料與模具之間的接觸界面上有潤滑劑存在，由於潤滑劑與金屬表面的吸附作用，因而在金屬表面上形成極薄的邊界油膜，狹義地説，這種邊界油膜只是在金屬表面上物理吸附或化學吸附的有機薄膜，其機理是潤滑劑(礦物油)中總含有一些極性物質，它的一端能牢固地吸在金屬表面上，通常由3～4層分子形成邊界吸附膜，當接觸表面相對移動時，與金屬表面相吸附的分子層不發生相對位移，而是上面的分子之間發生位移，代替了部分金屬之間的直接摩擦，起到一定的潤滑作用。由於這種有機膜的厚度僅約為10^-6mm，不足以將坯料與模具之間的接觸界面完全分隔開，所以相互運動時，兩金屬表面微觀的高峯部分仍將相互搓削，這種潤滑狀態稱為邊界潤滑，這種狀態下產生的摩擦稱為邊界摩擦，此時，坯料與模具接觸界面之間的摩擦和磨損不是取決於潤滑劑的粘度，而是取決於潤滑劑的化學特性和接觸界面本身的的特性。一般而言，金屬表面覆蓋一層邊界油膜後，雖然不能絕對消除表面的磨損，卻可以起到減輕磨損的作用。若這層邊界油膜完全被擠掉，則坯料與模具直接接觸，此時會出現粘模現象。大多數汽車覆蓋件衝壓成形中的摩擦屬於邊界摩擦。

典型的邊界潤滑劑是油、脂肪油、脂肪酸和皂。邊界膜通常可以在清潔的表面上迅速形成(鈦和不鏽鋼金屬表面例外)，且通常是在模具表面而不是在坯料表面形成邊界膜。在邊界潤滑時，摩擦係數大約為0.1～0.4，具體數值取決於邊界膜的強度和厚度。 ^[1] 

邊界摩擦是一種客觀存在。經過大量的試驗和研究人們漸漸瞭解到，邊界摩擦只有在低速和高比壓下才有可能出現前蘇聯學者格魯別夫認為：摩擦副的相對滑動速度高於5m/s，其間的單位壓力小於0.98MPa(10kgf/cm²)不會出現邊界摩擦。

必須具備一定的條件才會出現邊界摩擦。

1)兩個密封端面是平行的，在外徑邊兩者不平行度之和不大於0.06μm/cm

2)在某一具體的表面粗糙度下，端面比壓和介質壓力之比達到一定程度，使縫隙中不能形成液膜壓力；

3)端斷比壓P_g>65N/cm²

這三條必須同時滿足，才能出現邊界摩擦。

對具體的摩擦副材料，各種介質的摩擦係數均相同j從圖86所示可知，儘管載荷係數和滑動速度不同，進入邊界摩擦狀態以後(A點以後)摩擦係數不變。 ^[2] 

兩個作相對運動的物體表面僅被分子大小厚度的潤滑劑油膜所隔開的摩擦狀態，稱為邊界摩擦。近代對於邊界摩擦機理的研究進一步指出，邊界摩擦是兩個作相對運動物體表面之間的摩擦和磨損取決於表面性能和潤滑劑性質(除黏度外)的一種摩擦狀態。

邊界摩擦是介於幹摩擦與液體摩擦之間的一種摩擦狀態，所對應的摩擦係數一般為0.05～0.15。通常，塑性加工過程處於邊界摩擦狀態，或是以邊界摩擦為主的混合摩擦狀態。

邊界摩擦機理邊界摩擦機理表現為兩方面：

①與接觸物體表面力有關的潤滑劑單分子層間的彼此相互滑動。接觸表面在加入潤滑劑後，潤滑劑分子被物理吸附，便在固體表面上排列成一層單分子層，而且固體會穿透潤滑劑，直到兩表面僅僅被單分子吸附膜所隔開為止。由於潤滑劑的極性端吸附在金屬表面上，所以金屬表面實際上沒有直接接觸。當表面發生相對滑動時，潤滑劑單分子層間就會彼此相互滑動，摩擦就發生在潤滑劑的非極性端與非極性端之間。

②由金屬自身性質所導致的局部金屬粘着，它也是邊界摩擦時形成摩擦阻力的一個重要部分。任何一個好的邊界摩擦理論，都必須能精確定量地考慮穿透潤滑劑膜而發生的金屬粘着。部分粘着區的形成是因為金屬表面的粗糙和凹凸不平，當承受載荷時，接觸面上的凸起處承受的壓力最大，而且這些接觸點處的温度也很高，當潤滑膜的強度不能承受滑動接觸處摩擦力時，一部分接觸點處的邊界膜就會破裂，導致兩金屬表面的直接接觸及黏附，另有很小部分接觸點由流體效應膜潤滑，承受部分載荷。此時，載荷將由直接接觸表面、表面界面膜和流體效應膜所共同承受。即N=N_A+N_B+N_S

式中N——法向載荷；

N_A——產生直接接觸的表面承受的載荷；

N_B——金屬表面界面膜承受的載荷；

N_S——由流體效應膜支承的載荷。

通常，如圖2-11所示，在邊界摩擦條件下，流體效應膜幾乎不起作用，該項可忽略不計。 ^[3] 

兩摩擦表面加入潤滑油後，在金屬表面會生成一層邊界膜，它可能是物理吸附膜，也可能是化學反應膜。當不滿足流體動壓條件，或雖有動壓力，但壓力較低油膜較薄時，則在載荷作用下，邊界膜互相接觸，邊界膜也有較好的潤滑作用，又稱邊界潤滑。邊界膜的強度不高，在較大壓力作用下容易破壞，而且温度高時強度顯著降低，所以使用中對壓力和温度以及運動速度要加以限制，否則邊界膜破壞將造成金屬表面接觸出現於摩擦狀態，產生嚴重磨損。 ^[4] 

邊界摩擦中邊界膜由潤滑劑中的極性分子吸附於金屬表面而形成，且吸附分子的定向排列使其具有方向性。當吸附分子層在金屬表面上達到飽和狀態時，極性分子非常緊密地排列，與表面的吸附也很牢固。烴鏈之間很強的側向黏附作用使邊界膜有一定的膜強。當摩擦面相對運動時，邊界膜可阻止接觸表面凸峯部分的接觸而不被破壞，使表面相互接觸程度減小，從而具有良好的潤滑作用。邊界膜的潤滑作用不僅與潤滑劑油膜自身性質和狀態有關，還與金屬本身性質以及其他因素有關。